Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах те же, что и на биполярных. Особенностью является управление не током, а напряжением. По этой причине задание режима покоя осуществляется подачей во входную цепь постоянного напряжения. Возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (0З). В связи с тем, что схема 0З имеет низкое входное сопротивление, она практически не применяется.
Усилительный каскад на полевом транзисторе со встроенным каналом n-типа показан на рис 2.22.
Такой каскад может работать как в режиме увеличения (обогащения) канала, так и в режиме уменьшения (обеднения) канала. Обогащение канала приводит к увеличению тока стока I c, a обеднение — к его уменьшению. Если канал реализуется на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом, то каскад может работать только с уменьшением канала.
Уравнение электрического состояния цепи сток-исток в режиме покоя имеет вид:
Это уравнение описывает вольтамперную характеристику резисторов (R c +R и), т.е. линию нагрузки по постоянному току. Расчет и анализ каскада производится графоаналитическим способом аналогично тому, как это было проведено для усилительного каскада ОЭ.
|
|
На семейство выходных стоковых характеристик транзистора накладывается линия нагрузки по постоянному току (рис. 2.23). Эта линия соединяет точку с координатой Е с на оси абсцисс и точку с координатой Е с /(R c +R и), на оси ординат. Рабочая точка П выбирается на середине линейного участка передаточной (стоко-затворной) характеристики и сносится на линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой определяет значения тока стока I сп и напряжения сток-исток в точке покоя. В общем виде напряжение смещения затвора U зип может быть как положительным, так и отрицательным и даже равным нулю. В полевых транзисторах с управляющим переходом оно только отрицательное. Напряжение смещения выделяется на резисторе R и за счет прохождения I сп поэтому, зная U зип и I сп можно определить величину резистора R и:
Резистор R з предназначен для подачи потенциала смещения на затвор. Величина этого резистора должна быть значительно меньше входного сопротивления полевого транзистора (очень большого) для исключения влияния температурной нестабильности транзисторов и разброса их параметров. Обычно R з = (1–2) Мом. Через R з, ток практически не течет.
Резистор смещения R и не только создает режим покоя, но и обеспечивает стабилизацию каскада за счет отрицательной обратной связи по току стока I c. Емкость С и исключает отрицательную обратную связь для усиливаемого сигнала. Величина емкости выбирается из известных соображений по нижней частоте сигнала:
|
|
Иногда для увеличения стабильности каскада идут на значительное увеличение R и по сравнению с требуемым для создания потенциала покоя на затворе. В этом случае для компенсации излишнего отрицательного потенциала включают резистор R 1, подающий на затвор положительный потенциал от источника питания. Если же оказалось, что положение точки покоя таково, что U зип ³, то наличие R 1обязательно, т.к. именно он будет обеспечивать потенциал смешения. В этом случае резистор R и необходим только для стабилизации каскада. Следует отметить, что величина резистора стоковой нагрузки R свлияет на значение верхней частоты, усиливаемой каскадом: чем больше R с, тем меньше f в. Рекомендуется выбирать значение R с равным порядка 0,1 внутреннего сопротивления транзистора r i.
Емкости C p1 и C p2служат для развязки цепей постоянного и переменного тока на входе и выходе каскада.
Входной сигнал через разделительный конденсатор C p1 поступает на затвор транзистора, алгебраически суммируясь с напряжением смешения. Изменение потенциала затвора вызывает изменение напряжения на стоке. Переменная составляющая напряжения на стоке, проходящая через разделительный конденсатор С р2 представляет собой выходное напряжение. Амплитуда сигнала должна быть такой, чтобы не выходить за пределы линейного участка входной аб и выходной а ' б ' характеристик.
Нагрузка каскада R н не учитывается, если R н >> R c, что почти всегда имеет место в предварительных каскадах усиления. При необходимости учета нагрузки строится линия нагрузки но переменному току и рабочий линейный диапазон сигналов определяется по ней.
На рис. 2.24. представлены схемы замещения каскада ОИ. В этих схемах переходные конденсаторы C p1, C p2; не учитываются, так как емкость их велика и сопротивление близко к нулю. Коэффициент усиления по напряжению для средних частот, когда емкости транзистора еще не влияют на процесс усиления:
Произведение Sr i называют статическим коэффициентом усиления полевого транзистора. Здесь r i — внутреннее сопротивление транзистора, S — крутизна передаточной характеристики, . С достаточной для практики точностью в большинстве случаев можно пренебречь R н и тогда
Входное сопротивление каскада велико (мегомы):
Выходное сопротивление каскада:
и реально составляют килоомы и десятки килоом.
R вых << R вх, что является достоинством схемы.
На высоких частотах необходимо учитывать входную и выходную емкости.
Входная емкость , где С м — емкость монтажа. Обычные численные значения емкости составляют:
С зи» 10 пФ, С зс» 2 пФ, С м» 2 пФ. При K U = 50, С вх» 114 пФ.
Выходная емкость
Каскад по схеме ОИ меняет фазу выходного сигнала по отношению ко входному на противоположную.
Усилительный каскад ОС на полевом транзисторе со встроенным n-каналом показан на рис. 2.25. Такой каскад называют истоковым повторителем по аналогии с эмиттерным повторителем на биполярных транзисторах. Расчет каскада производится идентично тому, как это показано для схемы ОИ. При использовании транзистора с управляющим p-n-переходом в схеме будет отсутствовать резистор R 1.
Напряжение на нагрузке истокового повторителя и совпадает по фазе с входным напряжением.
Нагрузкой каскада по постоянному току является сопротивление R и, а по переменному току . Коэффициент усиления каскада по напряжению зависит от крутизны характеристики транзистора S и нагрузки по переменному току:
С увеличением крутизны и сопротивления нагрузки величина K U стремится к единице.
Выходное сопротивление схемы пропорционально 1/S и значительно меньше, чем в каскаде ОИ, колеблясь в диапазоне от сотен Ом до единиц килоом. Каскад обладает глубокой отрицательной обратной связью и поэтому достаточно термостабилен. По этой же причине в истоковом повторителе можно использовать более высокие значения сопротивления резисторов R 1 и R 3, что позволяет повысить входное сопротивление каскада до нескольких мегаом.
|
|